劉云圻院士團隊有機材料方面新突破（兩則）

有機半導體材料是有機場效應晶體管(OFET)器件的核心組成之一，科學家們設計了眾多電子（n-型）和空穴（p-型）以及雙極性有機高分子半導體材料以滿足不同功能電路的要求。但對于有機電子工業來講，高遷移率材料設計以及非氯溶劑的成膜過程都同等重要。如何引入新的設計理念，從源頭上解決高遷移率材料匱乏和非氯溶劑加工困難等，是當前面臨的重大挑戰。 

在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學所有機固體實驗室郭云龍研究員和劉云圻院士團隊與湘潭大學以及華中科技大學合作，首次將含有中等缺電子受體的吡咯并吡咯二酮(DPP)和吡啶[2,1,3]噻二唑(BTz)受體，通過“受體二聚”策略引入到給-受體（D-A）型聚合物分子中，有效地調控了分子的能級，實現了高遷移率的平衡雙極性半導體分子的制備，電子和空穴遷移率超過了6 cm²V^–1s^–1（Adv. Mater. 2017, 29, 1606162; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17735. Adv. Mater. 2018, 30, 1801951; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1804839.）。進一步，他們將二氟連二噻吩(2FBT)單元和含有不同氟原子的異靛藍(IID)基團共聚，實現了PIID-2FBT，P1FIID-2FBT 和 P2FIID-2FBT 從p 型為主、平衡的雙極性到 n 型為主的傳輸特性的調節。其中，P2FIID-2FBT展現的電子遷移率超過了 9 cm²V^–1s^–1 (Adv. Mater. 2017, 29, 1702115)，為高遷移率高分子材料體系的設計提供了新思路。并系統總結了受體調控策略，對提升聚合物半導體材料電子遷移率具有重要意義（圖1），相關研究成果發表在Adv. Mater. 2021, 10.1002/adma.202104325 上。博士生陳金佯為該論文第一作者，通訊作者為郭云龍研究員和劉云圻院士。 

圖1. 該團隊發展的部分代表性分子結構（左圖）；高遷移率D-A材料設計、加工技術以及器件性能的構效關系（右圖）。 

　　最近，該團隊通過高分子質量共軛單體聚合物的方法以及分子量的有效調控，獲得了PITTI-BT分子，其單體的分子量約為2.22 k，聚合物數均分子量18.3 kDa，實現了分子在非氯溶劑（二甲苯）中較好的溶解度。他們進一步通過偏心旋涂的方法制備了取向薄膜，沿取向方向聚合物FET器件的空穴和電子遷移率分別達到了3.06 和2.81 cm²V^–1s^–1，為該類分子非氯加工晶體管器件的最優值。相關研究結果發表在近期的National Science Review 2021, DOI:10.1093/nsr/nwab145 上。楊杰博士為該論文的第一作者、蔣雅倩、趙志遠博士和楊學禮為共同第一作者，通訊作者為郭云龍研究員和劉云圻院士。 

圖2. （a）該團隊設計非氯溶劑加工的聚合物雙極性分子結構及（b）遷移率統計和（c）形貌。有機場效應晶體管（OFET）作為柔性有機電子電路的基本單元，在柔性、低成本的可穿戴電子應用方面展現了巨大的應用前景。 

　　在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，化學所有機固體實驗室郭云龍研究員和劉云圻院士團隊與天津大學合作，將有機染料分子與雙極性FET器件的傳輸模式相融合，構筑了免濾光片、高度選擇性地將近紅外光轉換為非揮發電導記憶行為的超薄（800 nm）光傳感器（Adv. Mater. 2017, 29, 1701772)。提出了一種光觸發的有機神經形態器件，可通過電化學摻雜和鐵電的OFET開關分別產生短期和長期記憶，并用一個閾值切換突觸進行信號讀出，實現了色彩感知功能（Adv. Mater. 2018, 30, 1803961)。進一步，他們與中國農業大學以及上海交通大學合作，通過在石墨烯界面上修飾手性酶分子，利用其對不同手性農藥分子的響應差異，實現了高靈敏的無線傳感檢測（J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 14643）。系統總結了超薄柔性OFET傳感器在未來大數據互聯以及物聯網方面的潛在應用（Adv. Mater. 2020, 32, 1901493）。 

　　具有本征柔性的皮膚電子器件是聚合物電子器件研究的前沿，科學家們將彈性體聚合物與半導體聚合物的復合實現了本征柔性拉伸電子器件，但是彈性體的包覆作用也極大的限制了該類器件功能的拓展。因此，如何開發具有本征柔性可拉伸的光電子皮膚是非常具有挑戰性的工作。最近，他們在前期本征拉伸器件界面調控，降低FET器件關態電流以及提高穩定性的基礎上（Giant, 2021, 7,100060），通過設計蠕蟲狀組裝的鈣鈦礦量子點，構筑本征拉伸聚合物半導體異質薄膜，首次獲得了高光敏感度和耐極端機械變形性的本征可拉伸光晶體管。該器件對高能光子展現了高靈敏的傳感特性，例如對X-ray探測極限僅為79 nGy s^-1，比醫用胸透X-ray劑量低560倍。對紫外光探測展現出更強的敏感度，甚至在超弱光強50 nW/cm² (檢測極限，LOD≈ 0.1 nW/cm²）也顯示出明顯的光響應（圖1）。該工作為具有本征柔性且可貼附式、高靈敏光電子皮膚的研究奠定了基礎。相關研究成果發表在最近的Adv. Mater. 上（2021, DOI: 10.1002/adma.202107304），該論文第一作者為博士生劉凱，通訊作者為郭云龍研究員。 

圖1. a）蠕蟲狀的鈣鈦礦量子點與本征拉伸FET分子異質結構及器件結構；b）本征柔性拉伸器件的X-ray探測，c）在UV光條件下，本征柔性拉伸器件的性能與拉伸性之間的關系；d）器件拉伸的透明性測試；e）多種結構拉伸測試以及性能；f）復雜曲面上，UV光探測器的性能測試。